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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Ultraschallwandlern bekannt. Unter einem Ultraschallwandler ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, Ultraschallwellen zu generieren und/oder derartige Ultraschallwellen aufzunehmen und in elektrische Signale umzuwandeln. Ultraschallwandler werden beispielsweise in fluiden Medien zur Strömungsmessung eingesetzt, beispielsweise im Ansaug- und/oder Abgastrakt von Brennkraftmaschinen oder in anderen Einsatzgebieten, beispielsweise als Füllstandssensoren. Strömungsmessungen können beispielsweise durch Anordnungen mit zwei oder mehreren Ultraschallwandlern vorgenommen werden, beispielsweise durch Auswertung von Laufzeitunterschieden. Beispiele von Ultraschallwandlern sind in
DE 10 2007 010 500 A1 oder in den nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen aus dem Hause der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung, mit den Nummern
DE 10 2008 055 123.6 und
DE 10 2008 055 116.3 dargestellt. Auch
JP 2002 135894 A und
JP 2002 214008 A zeigen entsprechende Ultraschallwandler. Allgemein können die in dem genannten Stand der Technik aufgeführten Ultraschallwandler auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden.
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Bekannte Ultraschallwandler weisen in der Regel einen Wandlerkern mit einem Piezo-Element auf, welcher von einer Hülse umschlossen ist. Auf einer Abstrahlseite ist der Ultraschallwandler in vielen Fällen von einer Abdichtfolie verschlossen, wie dies beispielsweise in
DE 10 2008 055 116.3 , in
DE 10 2008 055 123.6 oder in
JP 2002 214008 A oder
JP 2002 135894 A beschrieben wird.
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Insbesondere bei der Herstellung von Ultraschallwandlern mit einer Abdichtfolie, jedoch auch bei anderen Arten von Ultraschallwandlern, treten in der Praxis eine Vielzahl technischer Herausforderungen auf. Eine technische Herausforderung besteht insbesondere darin, eine sichere und zuverlässige Fixierung der Abdichtfolie zu gewährleisten. Insbesondere muss eine Montage derart gewährleistet werden, dass Lufteinschlüsse nicht zu einer Beschädigung oder Qualitätsminderung des Ultraschallwandlers führen können. Insbesondere müssen ins Innere der Gehäusehülse eine Vielzahl von Elementen eingebracht werden, wie beispielsweise in vielen Fällen ein Dämpfungsverguss, wobei die Einbringung der zusätzlichen Elemente die Montagequalität der Folie nicht beeinträchtigen sollte.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Ultraschallwandler auf einfache und zuverlässige Weise löst und insbesondere in der Lage ist, eine zuverlässige Abdichtung des Ultraschallwandlers bei gleichzeitig einfacher Montage zu gewährleisten. Der Ultraschallwandler ist eingerichtet zum Einsatz in einem fluiden Medium, insbesondere einem Gas oder einer Flüssigkeit, beispielsweise in Luft oder einem Abgas. Insbesondere kann der Ultraschallwandler zur Strömungsmessung eingesetzt werden, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich.
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Der Ultraschallwandler umfasst mindestens ein Gehäuse. Dieses Gehäuse kann insbesondere die äußere Gestalt des Ultraschallwandlers bestimmen und kann eingerichtet sein, um den Ultraschallwandler gegenüber mechanischen Einflüssen von außen zu schützen. Das Gehäuse kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, ganz oder teilweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein und/oder aus einem Kunststoffwerkstoff. Auch Verbundmaterialien sind denkbar. Das Gehäuse kann insbesondere hülsenförmig ausgestaltet sein und/oder eine Radialsymmetrie zu einer Achse aufweisen. Die Hülse kann beispielsweise geschlossen oder vollständig oder teilweise offen ausgestaltet sein.
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Das Gehäuse weist mindestens einen Innenraum auf, in welchem mindestens ein Wandlerkern mit mindestens einem elektrisch-akustischen Wandlerelement aufgenommen ist. Der Innenraum kann vollständig oder teilweise abgeschlossen sein, weist jedoch vorzugsweise zum fluiden Medium eine Öffnung auf. Der Innenraum kann beispielsweise zylindersymmetrisch oder axialsymmetrisch zu einer Achse des Ultraschallwandlers angeordnet sein, beispielsweise einer Achse, welche senkrecht zu einer Abstrahlfläche des Wandlerkerns verläuft.
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Unter einem elektrisch-akustischen Wandlerelement ist grundsätzlich ein beliebiges Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um aus elektrischen Signalen akustische Signale, insbesondere Ultraschallsignale, zu erzeugen und/oder umgekehrt. Insbesondere kann das elektrisch-akustische Wandlerelement mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement umfassen. Ohne Beschränkungen möglicher weiterer Ausgestaltungen werden daher auch die Begriffe „Piezo”, „Piezokeramik” oder „piezoelektrisches Wandlerelement” als Synonyme für das elektrisch-akustische Wandlerelement verwendet. Grundsätzlich kann das elektrisch-akustische Wandlerelement jedoch auch andere Arten elektrisch-akustischer Wandlerelemente umfassen. Weiterhin kann der Wandlerkern neben dem mindestens einen elektrisch-akustischen Wandlerelement zusätzliche Elemente umfassen. Beispielsweise kann mindestens ein Anpasskörper vorgesehen sein, insbesondere auf einer dem fluiden Medium zuweisenden Seite des elektrisch-akustischen Wandlerelements. Dieser mindestens eine Anpasskörper, welcher beispielsweise als Anpassschicht ausgestaltet sein kann, insbesondere als Impedanz-Anpassschicht, kann eingerichtet sein, um eine Ultraschallkopplung zwischen dem elektrisch-akustischen und dem fluiden Medium zu verbessern, insbesondere durch eine Impedanzanpassung. Derartige Anpasskörper sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus den oben beschriebenen Druckschriften. Dementsprechend kann beispielsweise bezüglich des Aufbaus und/oder der Ausgestaltung und/oder der Materialwahl des optionalen Anpasskörpers auf diesen Stand der Technik verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Weiterhin kann das Wandlerelement zusätzliche Elemente umfassen. Beispielsweise kann mindestens ein Ausgleichselement vorgesehen sein, beispielsweise ein Ausgleichselement zwischen dem Anpasskörper und dem elektrisch-akustischen Wandlerelement. Dieses Ausgleichselement, beispielsweise mindestens eine Ausgleichsschicht, kann beispielsweise eingerichtet sein, um thermomechanische Spannungen zwischen dem elektrisch-akustischen Wandlerelement und dem Anpasskörper auszugleichen. So wird der Anpasskörper beispielsweise von seinem Material her derart gewählt, dass dieser eine Impedanz aufweist, welche zwischen der akustischen Impedanz des elektrisch-akustischen Wandlerelements und der akustischen Impedanz des fluiden Mediums liegt, optimalerweise in der Nähe des geometrischen Mittels dieser beiden Impedanzen. Derartige Anpasskörper können jedoch stark unterschiedliche thermische Ausdehnungen im Vergleich zum elektrisch-akustischen Wandlerelement aufweisen, welche beispielsweise durch den Ausgleichkörper ausgeglichen werden können. Auch andere Ausgestaltungen ohne Ausgleichkörper sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Ein Gedanke der vorliegenden Anmeldung besteht insbesondere darin, dass die Konstruktion und der Aufbau des Ultraschallwandlers, insbesondere unter Berücksichtigung der oben beschriebenen technischen Herausforderungen, sich erheblich verbessern lassen, wenn anstelle eines einfachen Gehäuses ein hohlwandiges Gehäuse verwendet wird. Dementsprechend wird vorgeschlagen, das Gehäuse derart auszugestalten, dass dieses eine den Wandlerkern zumindest teilweise umschließende Gehäusewand mit mindestens einem Hohlraum aufweist. Dieser Hohlraum ist vorzugsweise zumindest weitgehend vom Außenbereich des Ultraschallwandlers außerhalb des Gehäuses abgeschlossen. Weiterhin kann der Hohlraum vollständig oder teilweise vom Innenraum des Ultraschallwandlers getrennt ausgebildet sein. Grundsätzlich kann, wie später beschrieben wird, jedoch auch eine Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Innenraum bestehen, wobei diese jedoch als geometrisch voneinander getrennte, jedoch optional in Verbindung stehende Räume ausgestaltet sein können. Vorzugsweise ist der Hohlraum jedoch vollständig von einem Außenbereich des Ultraschallwandlers außerhalb des Gehäuses getrennt ausgebildet.
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Der Hohlraum kann insbesondere einen oder mehrere der folgenden Hohlräume aufweisen: einen durch eine Bördelung der Gehäusewand gebildeten Hohlraum, insbesondere eine Bördelung hin zum Innenraum des Gehäuses; einen durch mindestens eine Rippe unterteilten Hohlraum, insbesondere eine durch eine in eine axialen Richtung des Ultraschallwandlers sich erstreckende Rippe unterteilten Hohlraum; eine in eine axiale Richtung des Ultraschallwandlers verlaufende Bohrung; einen den Innenraum zumindest teilweise ringförmig umschließenden Hohlraum; eine im Wesentlichen ringförmig um den Innenraum umlaufende Auskernung; mindestens eine ringförmig angeordnete Aushöhlung; mindestens einen durch mindestens eine radial verlaufend Rippenstruktur gebildeten Hohlraum. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Hohlräume werden noch näher erläutert. Der mindestens eine Hohlraum kann insbesondere eine Mehrzahl von im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang der Gehäusewand verteilter Hohlräume umfassen.
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Der Hohlraum kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass eine Wandstärke des Gehäuses, insbesondere der Gehäusewand, über unterschiedliche Bereiche des Gehäuses hinweg maximal um einen Faktor vier variiert. Beispielsweise können sich Auskernungen und/oder Aushöhlungen, welche den Hohlraum bilden, so tief in die Hülse hinein erstrecken, dass die resultierenden Wandstärken über unterschiedliche Hülsenbereiche hinweg maximal um den Faktor vier variieren.
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Der Hohlraum kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass eine dem fluiden Medium zuweisende Stirnfläche des Gehäuses in einer radialen Richtung des Ultraschallwandlers eine höhere Dicke aufweist als eine durchschnittliche Wandstärke des Gehäuses, insbesondere der Gehäusewand. Die Ausgestaltung des Hohlraums kann also derart erfolgen, beispielsweise durch Ausgestaltung als Bördelung, dass die Stirnfläche breiter ausgestaltet ist als die übrige Gehäusewand. Auf diese Weise kann die Stirnfläche eine erhöhte Klebefläche oder sonstige Fixierflächen und/oder Fixierkonturen bereitstellen, insbesondere zur Fixierung (beispielsweise Verklebung) einer Abdichtfolie, was unten noch näher beschrieben wird.
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Der Hohlraum kann ganz oder teilweise angefüllt sein mit mindestens einem von einem Material des Gehäuses verschiedenen Funktionselement. Unter einem Funktionselement ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Element zu verstehen, welches in mindestens einer Weise zur Funktion des Ultraschallwandlers beiträgt, ausgenommen in Form einer rein statischen Funktion, beispielsweise einer Gehäusefunktion oder einer Schutzfunktion. Dabei kann das Funktionselement vollständig oder teilweise im Hohlraum aufgenommen sein. Das Funktionselement kann insbesondere eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: ein Dämpfungselement mit mindestens einem Dämpfungsmaterial, welches eingerichtet ist, um Körperschallübertragungen zu unterdrücken; ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des elektrisch-akustischen Wandlerelements; ein Halteelement zur Haltung eines Kontaktelements zur elektrischen Kontaktierung des elektrisch-akustischen Wandlerelements; ein Abschirmelement zur Abschirmung elektromagnetischer Einflüsse auf den Innenraum, insbesondere ein Abschirmblech.
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Der Ultraschallwandler kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass das Gehäuse mindestens eine dem fluiden Medium zuweisende Öffnung aufweist. Diese Öffnung kann zumindest teilweise von einer Stirnfläche des Gehäuses, insbesondere der Gehäusewand, umschlossen sein, beispielsweise kreisringförmig oder in Form eines polygonalen Rings. Innerhalb der Öffnung kann mindestens eine Abstrahlfläche des Wandlerkerns angeordnet sein. Unter einer Abstrahlfläche ist dabei eine Fläche des Wandlerkerns zu verstehen, über welche akustische Signale an das fluide Medium abgegeben oder akustische Signale aus dem fluiden Medium aufgenommen werden können. Die Abstrahlfläche kann dabei in einer Ebene zu der Stirnfläche angeordnet sein, kann jedoch grundsätzlich auch in einer anderen Ebene angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch eine Anordnung in derselben Ebene. Dabei können die Öffnungen und die Stirnfläche zumindest teilweise von mindestens einer Abdichtfolie bedeckt sein. Unter einer Abdichtfolie ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Abdichtelement zu verstehen, welches einerseits eine zumindest weitgehende Entkopplung akustischer Signale zwischen dem Wandlerkern und dem Wandlergehäuse erlaubt, welche jedoch andererseits eine Abdichtung des Innenraums bewirkt. Insbesondere kann die Abdichtfolie eingerichtet sein, um thermische Einflüsse und/oder chemische Einflüsse und/oder Druckeinflüsse zumindest teilweise vom Innenraum des Ultraschallwandlers fernzuhalten. Die Abdichtfolie kann grundsätzlich ein Folienelement umfassen, beispielsweise eine Kunststofffolie und/oder eine Metallfolie. Unter einer Folie ist dabei grundsätzlich ein flexibles Element zu verstehen, welches eine Dicke aufweist, die um mindestens eine, vorzugsweise zwei oder drei, Größenordnung(en) unterhalb der lateralen Erstreckung der Folie liegt. Alternativ oder zusätzlich zu einer Folie kann die Abdichtfolie jedoch auch andere Arten von Abdichtelementen umfassen, beispielsweise eine einfache Beschichtung, beispielsweise eine Parylene-Beschichtung. Die Abdichtfolie kann beispielsweise stoffschlüssig mit der Stirnfläche und/oder der Abstrahlfläche des Wandlerkerns verbunden sein, beispielsweise durch ein Verkleben.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Stirnfläche mindestens eine Vertiefung aufweist, insbesondere mindestens eine Rille. Alternativ oder zusätzlich zu einer Rille können jedoch auch andere Arten von Vertiefungen vorgesehen sein, beispielsweise sacklochförmige Vertiefungen, Nuten, Aussparungen oder Ähnliches, wobei die Stirnfläche vorzugsweise ansonsten im Wesentlichen eben ausgestaltet sein kann. Wie unten noch näher erläutert wird, bewirkt diese mindestens eine Vertiefung, dass Gaseinschlüsse, welche bei der Montage des Ultraschallwandlers entstehen können, in diese Vertiefung entweichen können. Die Vertiefung kann dabei auch über mindestens eine Verbindung mit dem Hohlraum verbunden sein, insbesondere mindestens einen in einer axialen Richtung des Ultraschallwandlers verlaufenden Kanal und/oder eine Bohrung. Auch mehrere dieser Verbindungen können vorgesehen sein, beispielsweise in äquidistanten Winkelabständen über den Umfang der Stirnfläche verteilte Verbindungen.
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Der Ultraschallwandler in einer oder mehreren der oben dargestellten Ausgestaltungen weist gegenüber bekannten Ultraschallwandlern eine Vielzahl von Vorteilen auf. Insbesondere lässt sich auf diese Weise ein Ultraschallwandler mit einer Abdichtfolie auf einer dem Messmedium zugewandten Seite des Ultraschallwandlers erzeugen, welche sich beispielsweise nicht nur über einen Anpasskörper des Wandlerkerns hinweg erstreckt, sondern auch vollständig oder teilweise über eine Stirnfläche des Gehäuses, beispielsweise einen Rand der Hülse. Die Hohlwandigkeit des Gehäuses ermöglicht im Vergleich zu einem einfachen Gehäuse und Gehäuserand eine größere Auflagefläche für die Abdichtfolie und damit eine erheblich erhöhte Robustheit, ohne zu einem Verzug bei einer Herstellung des Gehäuses, beispielsweise in einem Spritzgussprozess, zu führen. Das Gehäuse kann insbesondere aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein. Der mindestens eine Hohlraum kann beispielsweise, wie oben dargestellt, eine im Wesentlichen ringförmig umlaufende Auskernung umfassen. Der Hohlraum kann insbesondere auf einer von der Folie abgewandten Seite angeordnet sein und nicht oder nur über eine oder mehrere Verbindungen mit der Folie verbunden sein. Auch eine oder mehrere ringförmig angeordnete Aushöhlungen oder im Wesentlichen radial verlaufende Rippenstrukturen sind möglich.
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Die Auskernung beziehungsweise der mindestens eine Hohlraum kann außerdem bei Bedarf vollständig oder teilweise mit mindestens einem akustisch dämpfenden Element, beispielsweise einem akustisch dämpfenden Material, ausgefüllt werden und so beispielsweise Eigenschwingungen des Gehäuses, beispielsweise der Hülse, und störende Körperschall-Übertragungen zumindest reduzieren. Dieses Dämpfungselement beziehungsweise Dämpfungsmaterial kann beispielsweise ganz oder teilweise mit einem Dämpfungsmaterial identisch sein, welches bereits in heutigen Ultraschallwandlern auf der Rückseite des Wandlerkerns angebracht wird, um ein Abklingen von Schwingungen des Wandlerkerns zu beschleunigen. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Dämpfungsverguss handeln. Der Dämpfungsverguss kann sich dabei auch in dem Hohlraum mechanisch verhaken, beispielsweise „verkrallen”, so dass auch bei schlechter Haftung an dem Gehäuse eine Verschiebung des Wandlerinneren in Richtung des Messmediums oder in entgegengesetzter Richtung behindert wird. Hierdurch wird ein Übergang zwischen der Abdichtfolie und dem Gehäuse zusätzlich gegenüber mechanischen Belastungen geschützt, beispielsweise gegenüber Schälbelastungen.
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Weiterhin kann der mindestens eine Hohlraum, beispielsweise die Auskernung, als Entlüftung dienen, wenn während des Herstellprozesses dämpfende und/oder entkoppelnde Kunststoffe in den Innenraum des Wandlers eingebracht werden, beispielsweise bei hohem Druck. Weiterhin kann der mindestens eine Hohlraum, wie oben dargestellt, weitere Bauteile aufnehmen, insbesondere Funktionselemente, wie zum Beispiel einen oder mehrere Kontaktpins und/oder ein oder mehrere Abschirmelemente, beispielsweise ein EMV-Abschirmblech. Insgesamt lässt sich also mittels des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen ein Ultraschallwandler mit einem Ultraschallwandlergehäuse bereitstellen, welches funktionelle Verbesserungen des Ultraschallwandlers und gleichzeitig eine verbesserte Fertigbarkeit in Großserie ermöglicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen Ultraschallwandlers;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
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3A–C Ausführungsbeispiele mehrerer Gehäuse für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler;
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4A–C verschiedene Ausgestaltungen von Stirnflächen des Gehäuses in einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler;
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5 ein Ausführungsbeispiel mitzusätzlich in einem Hohlraum des Gehäuses aufgenommenen Funktionselementen.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist in einer Schnittdarstellung von der Seite ein Beispiel eines herkömmlichen Ultraschallwandlers 110 in einer stark vereinfachten Ausführungsform gezeigt. Der Ultraschallwandler 110 umfasst ein Gehäuse 112 mit einer Gehäusewand 114. Das Gehäuse 112 ist in 1 lediglich symbolisch angedeutet und kann beispielsweise axialsymmetrisch zu einer Achse 116 ausgerichtet sein. Das Gehäuse 112 umschließt einen Innenraum 118, in welchem ein Wandlerkern 120 aufgenommen ist. Der Wandlerkern 120 umfasst ein elektrisch-akustisches Wandlerelement 122, beispielsweise ein piezoelektrisches Wandlerelement, sowie einen Anpasskörper 124 auf der einem fluiden Medium 126 zugewandten Seite des Wandlerkerns 120. Der Anpasskörper 124 dient der Impedanzanpassung an die akustische Impedanz des fluiden Mediums 126 und kann beispielsweise gemäß dem oben genannten Stand der Technik ausgebildet sein. Weiterhin ist zwischen dem Anpasskörper 124 und dem elektrisch-akustischen Wandlerelement 122 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel optional ein Ausgleichselement 128 angeordnet, dessen thermische Ausdehnung zwischen denjenigen des elektrisch-akustischen Wandlerelements 122 und derjenigen des Anpasskörpers 124 liegt, um thermomechanische Spannungen zwischen diesen Elementen auszugleichen oder zumindest zu vermindern.
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Auf seiner dem fluiden Medium 126 zuweisenden Seite weist der Wandlerkern 120 eine Abstrahlfläche 130 auf. Diese ist ringförmig umgeben von einer Stirnfläche 132 des Gehäuses 112 beziehungsweise der Gehäusewand 114. Das Gehäuse 112 weist also auf seiner dem fluiden Medium 126 zuweisenden Seite eine Öffnung 134 auf, welche durch die Stirnfläche 132 umrandet wird. Diese Öffnung ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Abdichtfolie 136 verschlossen, welche beispielsweise großflächig mit der Stirnfläche 132 und/oder der Abstrahlfläche 130 verbunden sein kann, beispielsweise durch ein Verkleben.
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Der Innenraum 118 ist weiterhin in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Dämpfungselement 138 ausgefüllt, beispielsweise einem Dämpfungsverguss 140.
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1 zeigt also einen Grundaufbau eines Ultraschallwandlers 110 mit einer beispielsweise einfachen zylindrischen Hülse als Gehäuse 112, wie es dem Stand der Technik entspricht. Beispielsweise kann dabei eine Piezokeramik des elektrisch-akustischen Wandlerelements 122 über eine Klebung und/oder ein Ausgleichselement 128, welches beispielsweise als Ausgleichsschicht ausgestaltet sein kann, mit dem der Impedanzanpassung dienenden Anpasskörper 124 verbunden sein, welche eine Schallkopplung mit dem fluiden Medium 126 erleichtert. Um nach dem Sendevorgang das Nachschwingen des elektrisch-akustischen Wandlerelements 122 zeitlich zu begrenzen, kann der Innenraum 118 mit dem Dämpfungsverguss 140 ausgefüllt sein.
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Verschiedene Abwandlungen des Wandlerdesigns gemäß 1 sind aus dem Stand der Technik bekannt, welche grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt und erfindungsgemäß modifiziert werden können. Diese optionalen Ausgestaltungen betreffen beispielsweise den Anpasskörper 124 und/oder das Ausgleichselement 128. Beispielsweise kann das Ausgleichselement, beispielsweise die Ausgleichsschicht, dann verwendet werden, wenn einerseits ein großer Temperaturmessbereich abgedeckt werden soll, andererseits im Anwendungsfall schnelle Temperaturänderungen auftreten und wenn ein vergleichsweise dickes elektrisch-akustisches Wandlerelement 122 verwendet werden soll. Letzteres kann beispielsweise eine dicke Piezoscheibe sein, beispielsweise eine Piezoscheibe von 8 × 2 mm, die durch ihre Biegesteifigkeit einen vergleichsweise geringen Temperaturgang aufweist, dafür aber empfindlich auf mechanische Spannungen aufgrund thermischer Ausdehnung der Anpassschicht reagiert. Wird jedoch ein etwas größerer Temperaturgang toleriert, so kann grundsätzlich auch eine dünnere Piezoscheibe, beispielsweise 8 × 0,2 mm, optional auch ohne Ausgleichschicht und/oder ohne Ausgleichselement 128, verwendet werden.
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Der Anpasskörper
124 kann beispielsweise gemäß dem Stand der Technik ausgestaltet sein. Beispielsweise kann diesbezüglich auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden. Beispielsweise können Epoxy-/Glashohlkugel-Compounds verwendet werden, wie sie zum Beispiel in
EP 0 766 071 B1 beschrieben sind. Auch andere Arten von Anpasskörpern sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Anpasskörper
124 mit porösen Kunststoffen, beispielsweise porösen Polyimiden. In diesen Fällen kann beispielsweise eine Ausgleichsschicht
128 erforderlich sein, um die Poren zu verschließen, insbesondere um eine nachfolgende Klebung zu ermöglichen.
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Weitere Abwandlungen betreffen die Ausgestaltung der Abdichtung des Ultraschallwandlers
110, beispielsweise zur Verbesserung einer Resistenz gegenüber Chemikalien, Feuchtigkeit oder aggressiven Medien. Zu diesem Zweck ist die Abdichtfolie
136 vorgesehen, welche, wie oben dargestellt, optional, alternativ oder zusätzlich zu einer Folie auch eine Beschichtung umfassen kann. Derartige Abdichtfolien
136 sind grundsätzlich beispielsweise aus
JP 2002 214008 A oder aus
JP 2002 135894 A bekannt. Die Abdichtfolie
136 kann beispielsweise aus einem Polyimid und/oder einem thermoplastischen Material, wie beispielsweise PEEK (Polyetheretherketon), bestehen oder ein derartiges Material aufweisen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Weiterhin kann in einem Zwischenraum 142 zwischen dem Wandlerkern 120 und dem Gehäuse 112 mindestens ein Entkopplungselement vorgesehen sein, welches in 1 nicht dargestellt ist und in 2 mit der Bezugsziffer 144 bezeichnet ist. Beispielsweise kann dieses Entkopplungselement als Formteil oder auch einfach als Entkopplungsmaterial ausgestaltet sein, welches beispielsweise in dem Zwischenraum 142 eingegossen und/oder auf andere Weise eingebracht wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der in 1 dargestellte, dem Stand der Technik entsprechende Ultraschallwandler 110, welcher hier im Detail mit seinen Abwandlungen und möglichen Ausgestaltungen beschrieben wurde, grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Dabei wird allerdings, wie nachfolgend näher beschrieben, das Gehäuse 112 durch ein erfindungsgemäßes Gehäuse 112 ersetzt, mit den in der Einleitung dargestellten und im Folgenden exemplarisch noch näher erläuterten Merkmalen eines derartigen Gehäuses 112.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 110 ist in einer Schnittdarstellung in 1 gezeigt. Dieser Ultraschallwandler 110 kann beispielsweise zunächst weitgehend dem Ultraschallwandler 110 gemäß 1 entsprechen, so dass exemplarisch auch auf die Beschreibung der 1 verwiesen werden kann. Im Unterschied zur 1 ist, wie oben beschrieben, in 2 ein Beispiel gezeigt, bei welchem optional in dem Zwischenraum 142 zwischen dem Wandlerkern 120 und der Gehäusewand 114 ein Entkopplungselement 144 vorgesehen ist. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Ein Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in 2 und dem Stand der Technik gemäß 1 besteht darin, dass die Gehäusewand 115 mindestens einen Hohlraum 146 aufweist. Dieser Hohlraum ist im dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise dadurch gebildet, dass ein unterer Rand der Gehäusewand 114 nach innen, in den Innenraum 118, umgecrimpt oder umgebördelt ist. Dadurch ist die dem fluiden Medium 126 zuweisende Stirnfläche 132 der Gehäusewand 114 vorzugsweise breiter ausgebildet beziehungsweise weist eine höhere Dicke (in 2 mit d1 bezeichnet) auf als die Gehäusewand 114 außerhalb des Hohlraums 146. Die Bördelung kann sich beispielsweise derart weit in den Innenraum 118 hinein erstrecken, dass der Hohlraum 146 den gesamten Wandlerkern 120 ringförmig umschließt.
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In 2 ist also ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 110 gezeigt, bei welchem die Wandstärke der Hülse des Gehäuses 112 erhöht wurde, um die Stirnfläche 132, welche als Auflagefläche der Abdichtfolie 136 dienen kann, zu erhöhen. Dadurch wird der Schnittstelle zwischen dem Gehäuse 112 und der Abdichtfolie 136 eine erhöhte Festigkeit verliehen. Der Hohlraum 146 ist beispielsweise als Auskernung ausgestaltet. Der Hohlraum 146 vermeidet einerseits einen Verzug im beziehungsweise nach einem optionalen Spritzprozess, bei welchem das Gehäuse 112 hergestellt werden kann. In Abhängigkeit von einer Viskosität des noch nicht vollständig vernetzten Dämpfungsmaterials des Dämpfungselements 138, welches in erster Linie das elektrisch-akustische Wandlerelement 122, beispielsweise den Piezo, dämpfen soll, wurde die Auskernung andererseits so weit gestaltet, dass dieses Dämpfungsmaterial in den entsprechenden Hohlraum 146 einfließen kann. Durch diese Maßnahmen lassen sich Körperschallschwingungen der Hülse des Gehäuses 112 bedampfen. Eine weitgehend von ungewollten Lufteinschlüssen freie Füllung durch das Dämpfungselement 138, beispielsweise den Dämpfungsverguss 140, lässt sich insbesondere durch einen Vakuumverguss erzielen. Die anderenfalls resultierenden Lufteinschlüsse würden bei häufigen Temperaturänderungen in der Regel zu hohen Belastungen führen, die letztendlich den Ultraschallwandler 110 vorzeitig altern lassen. Optional kann das Entkopplungselement 144 vorgesehen sein, beispielsweise eine zusätzliche Entkopplung aus Silikonschaum.
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Diese kann durch die Dämpfungsmasse des Dämpfungsvergusses 140, welche beispielsweise Silikon, Epoxy- oder Polyurethan umfassen kann, beispielsweise geschäumt und/oder mit einem Zusatz an Füllstoffen, mit umschlossen sein.
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In den 3A bis 3C sind verschiedene Ausgestaltungen des Gehäuses 112 beziehungsweise der Gehäusewand 114 gezeigt, welche auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 eingesetzt werden können. Gezeigt sind dabei jeweils perspektivische Schnittdarstellungen. Die Ausgestaltung gemäß 3A entspricht im Wesentlichen der in 2 verwendeten Ausgestaltung des Gehäuses. In 3B ist eine Variante dargestellt, bei welcher der Auskernungsspalt, welcher den Hohlraum 146 bildet, zwar im Wesentlichen umlaufend ausgeführt ist, jedoch durch zusätzliche, radial verlaufende Stützrippen 148 unterbrochen wird. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3C ist die Hohlwandigkeit in Form von ringförmig angeordneten Bohrungen 150 ausgestaltet, welche sich in axialer Richtung erstrecken und welche beispielsweise äquidistant angeordnet sein können.
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In den 4A bis 4C sind verschiedene Detailansichten der Stirnfläche 132 in verschiedenen Ausgestaltungen gezeigt. Dabei ist eine Situation gezeigt, während derer das Dämpfungselement 138 und/oder das Entkopplungselement 144, welche auch ganz oder teilweise identisch sein können, in den Zwischenraum 142 eingebracht werden, beispielsweise durch einen Gieß- und/oder Spritzprozess. Dabei zeigt der mit der Bezugsziffer 152 bezeichnete Pfeil eine Fließrichtung der verwendeten Materialen. Es sei darauf hingewiesen, dass jedoch grundsätzlich auch andere Prozesse zum Einbringen der Elemente 138, 140 oder 144 verwendet werden können. Die dargestellte Ausgestaltung soll lediglich Vorgänge im Bereich der dem fluiden Medium 126 zuweisenden Seite des Zwischenraums 142 und die Belastung der Abdichtfolie 136 in diesem Bereich erläutern. Der Bereich, in welchem diese Abdichtfolie 136 in der Regel am stärksten belastet wird, ist in 4A symbolisch mit der Bezugsziffer 154 bezeichnet. In diesem Bereich reagiert die Verbindung der Abdichtfolie 136 mit der Hülse des Gehäuses 112 besonders empfindlich auf thermisch bedingte Ausdehnungen im Wandlerinneren. Insbesondere sind in diesem Bereich Lufteinschlüsse in der Regel zu vermeiden, die bei Temperatur- und/oder Druckänderungen zu starken Volumenänderungen und entsprechend hohen, lokalisierten Kräften führen können. Vor allem in Verfahren, bei denen das Material des Entkopplungselements 144 und/oder das Material des Dämpfungselements 138 in einem Spritzprozess bei hohem Druck und hoher Temperatur an die Abdichtfolie 136 und/oder die Hülse des Gehäuses 112 angespritzt wird, beispielsweise mit der Fließrichtung 152 des Materialflusses, besteht vor allem an Punkten des Materialzusammenflusses gegenüber der Anspritzpunkte die Gefahr von kleinen Lufteinschlüssen, die bereits während des Spritzprozesses zu lokalen Druck- und Temperaturanstiegen (sogenannten Brennern) führen können. Diese Einschlüsse können selbst bei Evakuierung aufgrund des immer noch vorhandenen Restdrucks entstehen oder durch gezielte Luft- oder Gasbeimischungen verursacht werden, die in der Regel dazu verwendet werden, die akustischen Entkopplungseigenschaften der verwendeten Materialien zu verbessern. Um diese Situation zu entschärfen, ist in 4B ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem die Stirnfläche 132 mindestens eine Vertiefung 156 aufweist. Diese Vertiefung 156 in der Stirnfläche 132 kann grundsätzlich auch in Ausgestaltungen von Gehäusen eingesetzt werden, welche nicht den erfindungsgemäßen Hohlraum 146 aufweisen, ist jedoch vorteilhaft in Verbindung mit diesem Hohlraum 146, wie unten noch näher erläutert wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 4B ist die Vertiefung 156 in Form einer Rille 158 ausgestaltet. Beispielsweise kann es sich dabei um eine konzentrische Rille handeln, welche beispielsweise kreisförmig in der Stirnfläche 132 verläuft. In diese mindestens eine Vertiefung hinein können sich entsprechende Gaseinschlüsse nach vorangegangener Werkzeugevakuierung entspannen. Durch sehr kleine Leckquerschnitte zwischen der Abdichtfolie 136 und dem Gehäuse 112 lassen sich die Lufteinschlüsse in das Entspannungsvolumen der Rille 158 beziehungsweise der Vertiefung 156 verschieben, was in 4B und in 4C mit dem Pfeil 160 symbolisiert ist. Der eingespritzte Werkstoff hingegen bleibt am Übergang zwischen der Abdichtfolie 136 und der Gehäusewand 114 stehen. Gleichzeitig kann der Fertigungsprozess so gestaltet sein, dass die Abdichtfolie 136 optional mit Klebstoff kaschiert ist, der erst während oder nach dem Spritzprozess voll aushärtet und damit die zuvor für die Luft genutzten Leckquerschnitte wieder verschließt.
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Eine weitere Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels gemäß 4B nutzt das Vorhandensein des Hohlraums 146 gezielt aus. Bei dieser Ausgestaltung kann die mindestens eine Vertiefung 156 in der Stirnfläche 132 über mindestens eine Verbindung 162 mit dem Hohlraum 146 verbunden sein. Beispielsweise kann diese mindestens eine Verbindung 162 eine Mehrzahl von Kanälen 164 umfassen, welche beispielsweise in axialer Richtung verlaufen. Über diese Kanäle 164 kann beispielsweise die Vertiefung 156 mit einer Auskernung, die den Hohlraum 146 bildet, verbunden werden, so dass überschüssige Luft austreten kann oder auch eine geringe Menge an austretender Entkopplungs- und/oder Dämpfungsmasse innerhalb der Auskernung aufsteigen kann.
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In 5 ist schließlich in einer perspektivischen Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 110 schematisch dargestellt. Wiederum entspricht der Ultraschallwandler 110 beispielsweise der Ausgestaltung gemäß 2, wobei jedoch optional eine Gehäusewand 114 der Ausgestaltung gemäß 3B verwendet wurde. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist dargestellt, dass in dem Hohlraum 146 auch ein oder mehrere Funktionselemente 166 vollständig oder teilweise aufgenommen sein können. Diese Funktionselemente 166 können beispielsweise das bereits genannte Entkopplungselement 144 und/oder das Dämpfungselement 138 umfassen, wie beispielsweise in 2 angedeutet. In 2 ist der Hohlraum 146 optional mit dem Dämpfungselement 138 gefüllt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 hingegen sind als Funktionselemente 166 ein elektrischer Kontakt 168 zur elektrischen Kontaktierung des elektrisch-akustischen Wandlerelements 122 oder, alternativ oder zusätzlich, ein Abschirmelement 170, beispielsweise eine EMV-Abschirmung (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit), vorgesehen. Der elektrische Kontakt 168 kann beispielsweise als Kontaktpin ausgestaltet sein. Dieser kann beispielsweise über ein oder mehrere Verbindungselemente 172 verfügen, um diesen mit dem Gehäuse 112 zu verbinden. Beispielsweise können diese Verbindungselemente 172 Rasthaken umfassen, welche beispielsweise im Fall der Verwendung von Blechteilen in diese eingestanzt werden können. Auch Verbindungselemente des Abschirmelements 170 können vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich zu den genannten Funktionselementen 166 können weitere Funktionselemente 166 ganz oder teilweise in dem Hohlraum 146 aufgenommen sein.
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Die in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele des Ultraschallwandlers 110 stellen lediglich einige mögliche Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 110 dar. Der Ultraschallwandler 110 lässt sich insbesondere in Ultraschallströmungsmessern (Ultrasonic Flow Meter, UFM) einsetzen. Insbesondere lässt sich der Ultraschallwandler 110 in Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren einsetzen, insbesondere im Nutzkraftwagen-Bereich. Alternative Anwendungsgebiete sind Sensoren für Gase oder Flüssigkeiten, beispielsweise auch in der Verfahrenstechnik, beispielsweise bei der Prozesssteuerung als Abstandssensoren, Füllstandssensoren oder Strömungssensoren, insbesondere in der Chemie-Industrie und/oder der Pharmaindustrie. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind die Medizintechnik, beispielsweise zur Atemgasüberwachung und/oder die Energietechnik, zum Beispiel in Wärmezählern in Kraftwerken oder bei Haushaltsanwendungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010500 A1 [0001]
- DE 102008055123 [0001, 0002]
- DE 102008055116 [0001, 0002]
- JP 2002135894 A [0001, 0002, 0031]
- JP 2002214008 A [0001, 0002, 0031]
- EP 0766071 B1 [0030]
